ES2240853T3 - Seccion/elemento mezclador de un tornillo sinfin en un aparato de plastificacion. - Google Patents
Seccion/elemento mezclador de un tornillo sinfin en un aparato de plastificacion.Info
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Abstract
Un aparato para extruir un material derretido polimérico que comprende: un cañón que tiene un espacio hueco en su interior con una sección transversal sustancialmente circular y un eje longitudinal, teniendo dicho espacio hueco del cañón una superficie interior; un tornillo sinfín montado de manera giratoria en el espacio hueco del cañón, estando dicho tornillo sinfín montado coaxialmente con el eje longitudinal del espacio hueco del cañón estando dicho tornillo sinfín montado para transmitir un material polimérico a través del espacio hueco del cañón desde un extremo de entrada del espacio hueco del cañón a un extremo de salida del espacio hueco del cañón cuando el tornillo sinfín es hecho girar, teniendo dicho tornillo sinfín un árbol de tornillo sinfín con un fileteado que se extiende en espiral alrededor del árbol del tornillo sinfín con el fin de formar una pluralidad de aletas de empuje, teniendo dicho tornillo sinfín una zona a través de la cual es transportado el polímero derretido.
Description
Sección/elemento mezclador de un tornillo sinfín
en un aparato de plastificación.
Esta invención concierne a un aparato para
mezclar materiales termoplásticos, y más particularmente a
tornillos sinfín para mezclar polímeros múltiplos, cuales tornillos
sinfín pueden ser usados en extrusoras y máquinas de moldeo de
inyección.
El uso de tornillos sinfín para extruir, combinar
y moldear por inyección un polímero es bien conocido. Yendo a la
Fig. 1, en ella se muestra un tornillo sinfín convencional 11 para
ser usado para fundir y mezclar polímeros. El tornillo sinfín
incluye tres zonas: una zona de introducción 13, una zona de
compresión o transición 15 y una zona de dosificación 17. El
tornillo sinfín 11 está alojado en un cañón hueco 19 que tiene un
diámetro interior cilíndrico constante y una superficie interior
lisa. A través de una abertura 21 existente en el cañón 19 se
introduce una resina polimérica, la cual puede estar presentada en
cualquier forma, tal como en perdigones, gránulos, escamas o polvo,
al interior de la zona de introducción 13 en la que el tornillo
sinfín 11 gira para compactar y luego empujar el polímero al
interior de la zona de compresión 15. El polímero se derrite en la
zona de compresión 15 y luego es conducido a la zona de
dosificación 17, donde el material derretido es homogeneizado.
Posteriormente, el material derretido homogeneizado se extruye, se
moldea por inyección o se procesa ulteriormente.
El tornillo sinfín 11 incluye un árbol de
tornillo sinfín 23 que tiene un filete situado en espiral alrededor
del árbol 23 para formar unas aletas de empuje 25. Las aletas de
empuje 25 están caracterizadas por su profundidad, la cual es la
altura de la paleta de empuje 25 por encima del árbol 23, y por su
paso, el cual es la distancia P entre dos aletas de empuje 25
adyacentes más una anchura de paleta de empuje. El diámetro
exterior OD del tornillo sinfín 11 incluye la profundidad de las
aletas de empuje 25 por encima y por debajo del árbol 23, mientras
que el diámetro de raíz RD del tornillo sinfín 11 es sólo el
diámetro del árbol 23, sin incluir la profundidad de las aletas de
empuje 25. La patente US-A-3486192
da a conocer un elemento mezclador para ser incorporado a un
tornillo sinfín de extrusión, cual elemento mezclador se muestra en
la Fig. 2. El elemento mezclador 30 es un cilindro alargado con una
superficie que está mecanizada con unos surcos superficiales 32 y
34, los cuales están separados por unas mesetas elevadas 36. Los
surcos de entrada 32 están abiertos en el extremo del elemento
mezclador enfrentado al extremo del elemento 30 desde el cual el
polímero es suministrado por el tornillo sinfín al elemento
mezclador, y los surcos de entrada 32 están cerrados en el extremo
opuesto del elemento mezclador. Los surcos de salida 34 están
abiertos en el extremo del elemento mezclador enfrentado al extremo
del elemento 30 hacia el cual el polímero es descargado, y los
surcos de salida 34 están cerrados en el extremo opuesto del
elemento mezclador. Las mesetas 36 forman una barrera entre los
surcos de entrada 32 y los surcos de salida 34, pero existe una
separación entre la parte superior de las mesetas y la superficie
interior del cañón 19. El elemento mezclador 30 gira junto con el
árbol 23 del tornillo sinfín y es accionado por el mismo. La
rotación del tornillo sinfín fuerza al material derretido
polimérico hacia el interior de los surcos de entrada 32 del
elemento mezclador 30, por encima de la parte superior de las
mesetas 36 a través de la separación entre la parte superior de las
mesetas 36 y la superficie interior del cañón 19, y hacia fuera a
través de los surcos de salida 34. El material derretido polimérico
se somete a un elevado esfuerzo cortante a medida que es estrujado
entre la parte superior de las mesetas 36 y la superficie interior
del cañón 19. En la patente
US-A-6136246 se describen
configuraciones adicionales del elemento mezclador del tornillo
sinfín.
Con elementos mezcladores como el descrito más
arriba ha sido difícil obtener un grado muy alto de mezcla de
polímero sin que al mismo tiempo se genere un calentamiento
excesivo del polímero, el cual ocasiona generalmente la degradación
del polímero. En concordancia, existe la necesidad de un tornillo
sinfín mezclador para ser usado en extrusoras y máquinas de moldeo
de inyección que consiga un grado de mezcla y homogeneización muy
elevado pero que no genere un calentamiento o degradación indebido
del polímero. También existe la necesidad de un tornillo sinfín con
un elemento mezclador que genere un alto grado de mezcla de
polímero pero que no constriña el flujo de polímero a través del
tornillo sinfín hasta el punto de que sea necesario efectuar
reducciones en las velocidades de giro y en las tasas globales de
capacidad de tratamiento de resina polimérica. Lo que se necesita,
por consiguiente, es un aparato que produzca un material derretido
homogéneo a partir de múltiples polímeros sin causar una
degradación substancial de las resinas poliméricas.
La presente invención concierne a un aparato para
mezclar materiales termoplásticos, y más particularmente a
tornillos sinfín para mezclar múltiples polímeros, cuales tornillos
sinfín pueden ser usados en extrusoras y máquinas de moldeo de
inyección. El aparato incluye un cañón que tiene un espacio hueco en
su interior con una sección transversal sustancialmente circular y
un eje longitudinal, teniendo el espacio hueco del cañón una
superficie interior y un tornillo sinfín montado de manera
giratoria en el espacio hueco del cañón. El tornillo sinfín está
montado coaxialmente con el eje longitudinal del espacio hueco del
cañón con el fin de transmitir un material polimérico a través del
espacio hueco del cañón desde un extremo de entrada del espacio
hueco del cañón a un extremo de salida del espacio hueco del cañón
cuando el tornillo sinfín es hecho girar. El tornillo sinfín tiene
un árbol de tornillo sinfín con un fileteado que se extiende en
espiral alrededor del árbol del tornillo sinfín con el fin de
formar una pluralidad de aletas de empuje, y el tornillo sinfín
tiene una zona a través de la cual es transportado el polímero
derretido. El tornillo sinfín tiene un área de sección transversal
de flujo entre aletas de empuje adyacentes del tornillo sinfín que
es igual a la altura radial a la que el fileteado de tornillo
sinfín de las aletas de empuje se extiende por encima del árbol del
tornillo sinfín multiplicada por la anchura de separación entre
aletas de empuje adyacentes. El tornillo sinfín tiene una porción
dentro de la zona a través de la cual es transportado el polímero
derretido, cual porción de tornillo sinfín no tiene un fileteado de
tornillo sinfín y en la que el árbol del tornillo sinfín forma un
elemento mezclador que tiene un extremo de entrada, dirigido hacia
el extremo de entrada del espacio hueco del cañón, y un extremo de
salida, dirigido hacia el extremo de salida del espacio hueco del
cañón.
El elemento mezclador del tornillo sinfín
comprende una superficie en forma de tambor que se extiende por
encima del árbol del tornillo sinfín y que es coaxial con el árbol
del tornillo sinfín. Esta superficie en forma de tambor tiene una
pluralidad de surcos de entrada sobre la superficie en forma de
tambor que se extienden en una dirección en general axial, con
aberturas de surco en el extremo de entrada del elemento mezclador,
donde los surcos de entrada terminan antes de alcanzar el extremo
de salida del elemento mezclador, y una pluralidad de surcos de
salida sobre la superficie en forma de tambor que se extienden en
una dirección en general axial, con aberturas de surco en el extremo
de salida del elemento mezclador, donde los surcos de salida
terminan antes de alcanzar el extremo de entrada del elemento
mezclador. La pluralidad de surcos de salida se alternan con la
pluralidad de surcos de entrada de manera que los surcos de entrada
y salida están contiguos los unos a los otros sobre una porción de
la superficie del elemento mezclador. Unas mesetas que se extienden
entre los surcos de entrada y los surcos de salida separan los
surcos de entrada de los surcos de salida, siendo la longitud de
cada meseta substancialmente igual a la longitud de la porción
contigua de los surcos de entrada y salida adyacentes. Cada una de
las mesetas tiene una superficie superior que se extiende a lo
largo de la meseta y que tiene un grosor entre los surcos de
entrada y salida de menos de 2 mm. La superficie superior de las
mesetas se extiende hacia la superficie interior del cañón hueco,
pero sin tocarla. La holgura entre la superficie superior de
dichas mesetas y la superficie interior del espacio hueco del cañón
es preferiblemente de menos de 0,5 mm.
De acuerdo con la invención, hay un área de
sección transversal de esfuerzo cortante de meseta correspondiente
a cada meseta que es igual a la longitud de la meseta multiplicada
por la holgura entre la meseta y la superficie interior del espacio
hueco del cañón, y la suma de las áreas de sección transversal de
esfuerzo cortante de meseta de todas las mesetas del elemento
mezclador es mayor o igual al 95% del área de sección transversal
de flujo entre las aletas de empuje adyacentes del tornillo sinfín
a través de la cual pasa el polímero inmediatamente antes de entrar
en el elemento mezclador.
La Fig. 1 es una vista lateral de un tornillo
sinfín convencional;
la Fig. 2 es una vista lateral de una porción de
un elemento mezclador convencional existente sobre un tornillo
sinfín;
la Fig. 3 es una vista lateral de un elemento
mezclador en un tornillo sinfín de acuerdo con la presente
invención; y
la Fig. 4 es una vista en sección transversal del
elemento mezclador mostrado en la Fig. 3.
La presente invención concierne a un aparato
mezclador que puede ser usado en una máquina de moldeo de inyección
o en una extrusora. El aparato mezclador incluye un tornillo sinfín
con un árbol de tornillo sinfín que tiene un fileteado colocado en
espiral alrededor del árbol del tornillo sinfín a propósito para
formar una pluralidad de aletas de empuje. El tornillo sinfín tiene
tres zonas una zona de introducción, una zona de compresión y una
zona de dosificación, y cuando está en uso está montado en un cañón
cilíndrico hueco que tiene una pared cilíndrica interior
preferiblemente lisa que permite que el tornillo sinfín gire dentro
del cañón hueco. En la zona de dosificación del tornillo sinfín
está incorporado un elemento mezclador para mejorar la mezcla de un
polímero sin inducir una excesiva compresión o esfuerzo cortante en
el polímero que está siendo mezclado.
Tal como se usa aquí, el término "zona de
introducción" se refiere a aquella zona del tornillo sinfín en
la que el material es introducido y donde no ha sido derretido
completamente. Cuando el polímero es introducido en la forma de
perdigones de polímero, los perdigones están presentes es la zona de
introducción en su forma a granel sin
derretir.
derretir.
El término "zona de compresión" hace
referencia a aquella zona del tornillo sinfín en la que el material
está siendo comprimido y derretido. En el caso de perdigones de
polímero, por ejemplo, los perdigones están presentes en la zona de
compresión en un estado mixto entre su forma a granel y su forma
derretida. Las paredes del cañón hueco dentro de las cuales gira el
tornillo sinfín son calentadas en la zona de compresión para
derretir el polímero que está siendo mezclado por el tornillo
sinfín.
El término "zona de dosificación" hace
referencia a aquella zona del tornillo sinfín en la que el material
ha sido derretido completamente y el material derretido polimérico
es homogeneizado. En el caso de perdigones de resina, los
perdigones están presentes en una forma completamente derretida. Las
paredes del cañón hueco pueden ser calentadas en la zona de
dosificación para ayudar a mantener la temperatura del material
derretido polimérico.
Una paleta de empuje está caracterizada por su
profundidad, la cual está definida como la altura de la paleta de
empuje por encima del árbol, por su anchura, y por su paso, el cual
está definido como longitud de la paleta de empuje (la distancia
entre dos vueltas de la paleta de empuje sobre el árbol del
tornillo sinfín) más una anchura de paleta de empuje. Si una paleta
de empuje tiene un paso de 25 mm, esto significa que cuando el
tornillo sinfín gira una vuelta, el polímero que está dentro de la
paleta de empuje se desplaza axialmente 25 mm en el tornillo
sinfín.
El "área de sección transversal de flujo"
entre aletas de empuje adyacentes de un tornillo sinfín es igual a
la profundidad del espacio anular entre el árbol 23 del tornillo
sinfín y la superficie interior del cañón hueco 19 multiplicada por
la anchura del paso. La anchura (W) del paso puede calcularse
mediante la siguiente fórmula:
W =
P(cos \theta) -
e
donde "\theta" es el ángulo
de la paleta de empuje en relación con la dirección perpendicular
al eje longitudinal del tornillo sinfín, "P" es el paso, y
"e" es el grosor de la paleta de
empuje.
En el aparato mezclador de la presente invención,
el tornillo sinfín incluye al menos un elemento mezclador en la
zona de un tornillo sinfín a través de la cual es transportado el
polímero derretido. El elemento mezclador no restringe el paso del
polímero, pero al mismo tiempo, induce un grado muy elevado de
mezcla de polímero. En un ejemplo de realización preferido de la
invención, el elemento mezclador está situado en la zona de
dosificación del tornillo sinfín. El elemento mezclador está
situado preferiblemente en o cerca de donde la zona de compresión
se encuentra con la zona de dosificación del tornillo sinfín.
Alternativamente, el elemento mezclador puede estar situado en
cualquier lugar de la zona de dosificación, incluyendo el tercio
más a corriente debajo de la zona de dosificación. En un ejemplo de
realización alternativo de la invención, el tornillo sinfín podría
ser uno que tuviera una zona de introducción y una zona de
compresión, pero no una zona de dosificación, con el elemento
mezclador situado al final de la zona de compresión donde el
polímero ha sido derretido. En otro ejemplo de realización
alternativo de la invención, el tornillo sinfín puede estar hecho
con una zona de introducción seguida de una zona de compresión que
a su vez está seguida por una zona de dosificación muy corta de no
más de una paleta de empuje, con el elemento mezclador situado al
final de esta zona de dosificación muy corta.
En las Figs. 3 y 4 se muestra un ejemplo de
realización preferido del elemento mezclador del aparato mezclador
de la presente invención. El elemento mezclador 40 es un cilindro
alargado con una superficie mecanizada o moldeada con unos surcos
superficiales 42 y 44 que están separados por unas mesetas elevadas
46. Los surcos superficiales 42 y 44 tienen preferiblemente una
sección transversal curvada, tal como una sección transversal
redondeada, o la sección transversal de surco parabólica mostrada
en la Fig. 4. Los surcos de entrada 42 están abiertos en el extremo
del elemento mezclador enfrentado al extremo del elemento 40 desde
el cual el polímero es introducido por el tornillo sinfín al
elemento mezclador, y los surcos de entrada 42 están cerrados en el
extremo opuesto del elemento mezclador. Los surcos de salida 44
están abiertos en el extremo del elemento mezclador enfrentado al
extremo del elemento 40 hacia el cual el polímero es descargado, y
las surcos de salida 44 están cerradas en el extremo opuesto del
elemento mezclador. Las mesetas 46 forman una barrera entre los
surcos de entrada 42 y los surcos de salida 44, pero hay una holgura
entre la parte superior de las mesetas y la superficie interior del
cañón 19. El cilindro del elemento mezclador gira junto con el
árbol 23 del tornillo sinfín y es accionado por el giro del mismo.
La rotación del tornillo sinfín fuerza al material derretido
polimérico hacia el interior de los surcos de entrada 42 del
elemento mezclador 40, por encima de la parte superior de las
mesetas 46 a través de la holgura entre las partes superiores de
las mesetas 46 y el interior del cañón 19, y hacia fuera a través
de los surcos de salida 44.
De acuerdo con un ejemplo de realización
alternativo de la invención, los surcos y mesetas existentes sobre
la superficie del elemento mezclador pueden estar dispuestos
formando un ángulo en relación con el eje de rotación del elemento
mezclador y del tornillo sinfín. Por ejemplo, los surcos de entrada,
surcos de salida y las mesetas que separan los surcos de entrada de
los surcos de salida pueden envolver helicoidalmente la superficie
del elemento mezclador. De acuerdo con otro ejemplo de realización
alternativo de la invención, la anchura de los surcos de entrada 42
puede hacerse más ancha hacia sus extremos abiertos y más estrecha
hacia sus extremos cerrados, y los surcos de salida 44 pueden
hacerse complementariamente de manera que los mismos sean también
más anchos hacia sus extremos abiertos y más estrechos hacia sus
extremos cerrados, mientras que las mesetas 46 mantienen una anchura
substancialmente uniforme a lo largo de los mismos.
En el aparato mezclador de la invención, la
holgura entre las partes superiores de las mesetas 46 y la
superficie interior del cañón hueco 19 es de menos de 0,5 mm, y
preferiblemente de menos de 0,3 mm, pero mayor que 0,05 mm. Este
bajo grado de holgura genera un alto grado de esfuerzo cortante en
el polímero a medida que éste pasa sobre las mesetas 46. Este
elevado esfuerzo cortante calienta y mezcla rápidamente todas las
porciones del polímero a medida que el polímero es estrujado entre
las mesetas 46 y el interior del cañón hueco. Con el fin de impedir
un sobrecalentamiento, y una posible degradación del polímero, el
grosor de las mesetas 46 se mantiene a menos de 2 mm, y más
preferiblemente a menos de 1,4 mm, e incluso más preferiblemente a
menos de 1 mm. Esta holgura estrecha y esta anchura de meseta muy
delgada hacen posible inducir un grado muy alto de esfuerzo cortante
en el polímero durante un período de tiempo muy corto. La corta
duración del estado de elevado esfuerzo cortante impide que el
polímero se sobrecaliente, lo que de otra forma podría ocasionar
una degradación del polímero que se estuviera mezclando.
Preferiblemente, los surcos de entrada 42 y los
surcos de salida 44 son más de tres veces más profundos que la
holgura entre las mesetas 46 y el cañón 19. Es más preferido que
los surcos de entrada 42 y los surcos de salida 44 sean al menos
cuatro veces más anchos que el grosor de las mesetas 46. Los surcos
de entrada 42 los surcos de salida 44 tienen generalmente una
profundidad de 1 a 6 mm y una anchura de 4 a 15 mm, dependiendo del
tamaño del tornillo sinfín. Por ejemplo, en el tornillo sinfín
expuesto en el Ejemplo 1, los surcos de entrada 42 y los surcos de
salida 44 tenían, cada uno, una profundidad de 2,8 mm y una anchura
de 11 mm, mientras que la parte superior de cada meseta enfrentada
al cañón 19 tenía un grosor de 0,7 mm y la holgura entre la parte
superior de las mesetas 46 y la superficie interior del cañón era
de 0,25 mm.
El "área de esfuerzo cortante" de un
elemento mezclador está definida como la holgura entre las mesetas
46 y el interior del cañón 19 multiplicada por la longitud de
meseta ("L" en la Fig. 3) multiplicada por dos veces el número
de surcos de entrada. De acuerdo con el ejemplo de realización
preferido de la invención, el área de esfuerzo cortante de cada
elemento mezclador incorporado al tornillo sinfín es mayor o igual
que el 95% del área de sección transversal de flujo entre las
aletas de empuje del tornillo sinfín adyacentes, a través de la
cual el polímero pasa inmediatamente antes de entrar en el elemento
mezclador. Más preferiblemente, el área de esfuerzo cortante de cada
elemento mezclador es mayor o igual que el área de sección
transversal de flujo entre las aletas de empuje del tornillo sinfín
adyacentes, a través de la cual el polímero pasa inmediatamente
antes de entrar en el elemento mezclador. De acuerdo con el ejemplo
de realización más preferido de la invención, el área de esfuerzo
cortante de cada elemento mezclador es del 100% al 120% del área de
sección transversal de flujo entre las aletas de empuje del
tornillo sinfín adyacentes, a través de la cual el polímero pasa
inmediatamente antes de entrar en el elemento mezclador.
Incorporando un elemento mezclador con un área de esfuerzo cortante
que sea substancialmente igual o mayor que el área de sección
transversal de flujo, el elemento mezclador no constriñe la tasa de
capacidad de tratamiento de resina polimérica.
Se ha constatado que el aparato mezclador de la
invención es eficaz cuando el tornillo sinfín tiene una baja
relación de compresión volumétrica. La relación de compresión es
una expresión de la cantidad en la que el tornillo sinfín comprime
o estruja una resina polimérica durante el procesado. La tasa de
compresión volumétrica es el volumen de una paleta de empuje del
tornillo sinfín en la sección de introducción dividido por el
volumen de una paleta de empuje en la sección de dosificación del
tornillo sinfín. En la práctica, para tornillos sinfín que tienen
un paso constante, la tasa de compresión se puede calcular mediante
la siguiente ecuación simplificada:
\vskip1.000000\baselineskip
Relación de compresión =
\frac{\text{(profundidad de la paleta de empuje en la zona de
introducción)}}{\text{(profundidad de la paleta de empuje en la
zona de
introducción)}}
\vskip1.000000\baselineskip
Unos tornillos sinfín de alta compresión, usados
generalmente para materiales poliméricos cristalinos o
semicristalinos, tienen una relación de compresión de más de
aproximadamente 2,5. Los tornillos sinfín de compresión estándar,
los cuales se usan generalmente para procesar materiales amorfos,
tienen unas relaciones de compresión de aproximadamente 1,8 a 2,5.
Los tornillos sinfín con una relación de compresión de monos de 1,8
se considera que tienen una relación de compresión baja.
Se puede diseñar un tornillo sinfín de baja
relación de compresión de acuerdo con los principios de la
publicación de patente PCT Nº WO 99/56937 y adaptarlo a la resina
polimérica que se está moldeando por inyección. En tales tornillos
sinfín, el flujo másico de resina polimérica está equilibrado a lo
largo del tornillo sinfín de manera que hay un aumento de presión
constante a lo largo del tornillo sinfín sin picos de presión.
El aparato mezclador de la invención puede usarse
para mezclar una amplia gama de polímeros y de aditivos de
polímero. El tornillo sinfín inventivo puede ser usado en una
máquina extrusora o en una máquina de moldeo de inyección, tal como
una máquina de moldeo de inyección y soplado. Se ha constatado que
el tornillo sinfín es especialmente útil para extruir y moldear por
inyección mezclas de múltiples polímeros. Aunque la invención ha
sido ilustrada con un tornillo sinfín que tiene un tornillo sinfín
y un elemento mezclador, el alcance de la presente invención
incluye un tornillo sinfín que tenga dos o más de los elementos
mezcladores descritos más arriba, o un aparato que tenga dos o más
de tales tornillos sinfín. Aunque la invención se ha ilustrado en
el contexto de un tornillo sinfín con una paleta de empuje, el
alcance de la presente invención incluye un tornillo sinfín que
tenga más de una paleta de empuje.
La invención se ilustra adicionalmente mediante
los ejemplos siguientes. Los ejemplos tienen sólo un propósito
ilustrativo y no se pretende que limiten la invención. Se puede
hacer una modificación de detalle sin salirse del alcance de la
invención.
Ejemplo 1 y Ejemplo Comparativo
2
En el Ejemplo 1, se realizó un tornillo sinfín de
acuerdo con la invención y se usó para moldear por inyección una
resina termoplástica de poliacetal. La resina de poliacetal se
introdujo en la zona de introducción en la forma de perdigones
granulares con un diámetro de aproximadamente 2 a 4 mm. La resina de
poliacetal era Delrin® 500 P, una resina de poliacetal compuesta
con aproximadamente un 1% en peso de estabilizadores térmicos y
agentes lubricantes añadidos, teniendo un punto de fusión de 177ºC
(ISO 3146 método C2) y una tasa de fluencia en estado fundido de 15
g/10 minutos por técnicas estándar (ISO 1133) a una temperatura de
190ºC con un peso de 2,16 kg, y que está disponible procedente de E.
I. de Pont de Nemours and Company (DuPont) de Wilmington, Delaware,
E.U.A.
El tornillo sinfín del Ejemplo 1 tenía una zona
de introducción, una zona de compresión y una zona de dosificación,
y tenía una relación de compresión baja, según está descrito en la
publicación PCT WO 99/56937. El tornillo sinfín incorporaba un
elemento mezclador como el descrito más arriba en relación con las
Figs. 3 y 4. El elemento mezclador estaba colocado al principio de
la zona de dosificación, donde la zona de compresión se encuentra
con la zona de dosificación. El tornillo sinfín estaba realizado
enteramente de acero nitrurado con una dureza de 83 HRA y las
dimensiones estipuladas más abajo.
En el Ejemplo Comparativo 2, se realizó un
tornillo sinfín como el tornillo sinfín del Ejemplo 1, excepto en
que no incluía un elemento mezclador, y este tornillo sinfín se usó
para moldear por inyección la misma resina termoplástica de
poliacetal como la usada en el Ejemplo 1.
Los tornillos sinfín usados en el Ejemplo 1 y en
el Ejemplo Comparativo 2 tenían las siguientes dimensiones:
| Ejemplo 1 | Ejemplo | ||
| Comparativo 2 | |||
| Diámetro del tornillo sinfín | 30 mm | 30 mm | |
| Relación de compresión (volumen) | 1.55 | 1.55 | |
| Zona de dosificación | |||
| Paso de la paleta de empuje | 42 mm | 42 mm | |
| Profundidad de la paleta de empuje | 2,6 mm | 2,6 mm | |
| Área de sección transversal de flujo | 92,0 mm^{2} | 92,0 mm^{2} | |
| Elemento mezclador | |||
| Número de mesetas | 8 | - | |
| Longitud de las mesetas (L) | 50 mm | - | |
| Anchura de las mesetas (en la parte superior) | 0,7 mm | - | |
| Holgura (partes superiores-cañón) | 0,25 mm | - | |
| Área de esfuerzo cortante total | 100 mm^{2} | - | |
| Área de esfuerzo cortante/zona de dosificación (%) | 104% |
Tanto en el Ejemplo 1 como en el Ejemplo
Comparativo 2, el tornillo sinfín se usó en una máquina de moldeo
de inyección con una fuerza de mordaza de 150 toneladas y equipada
con un cañón de 30 mm de diámetro. El cañón estaba conectado a una
herramienta de molde de dos cavidades con un volumen de
aproximadamente 40 cm^{3}. Se usó un tiempo de ciclo de moldeo de
aproximadamente 1 minuto. Durante cada ciclo se hizo girar el
tornillo sinfín aproximadamente durante 4 segundos a una velocidad
de 190 rpm para mover el material derretido polimérico hacia el
interior de una porción de acumulación del cañón situada entre el
extremo del tornillo sinfín y la cavidad del molde. Entonces se hizo
avanzar el tornillo sinfín sobre una carrera de 6,7 cm con el fin
de inyectar el polímero acumulado al interior de la cavidad del
molde. Se dejo que el polímero cristalizara en la cavidad del molde
durante aproximadamente 55 segundos antes de que se extrajera el
artículo moldeado de la cavidad del molde, y se repitió el ciclo.
La producción de salida total del tornillo sinfín fue de 55
kg/hora. Se fijó la temperatura del cañón a 200ºC en la zona de
introducción, 210ºC en la zona de compresión, y 215ºC en la zona de
dosificación y en la sección de acumulación. La temperatura del
molde se fijó a 90ºC. En el Ejemplo 1, la temperatura del polímero
que salía del tornillo sinfín fue de menos de 2ºC mayor que la
temperatura del cañón, lo que demuestra que el proceso de mezcla
causó poco calentamiento adicional del material derretido
polimérico aunque en el Ejemplo 1 se usó un elemento mezclador.
En la herramienta de molde de dos cavidades se
moldearon por inyección barras de ensayo de tracción en forma de
hueso de perro a una tasa de aproximadamente una operación de moldeo
por minuto. Las barras de tracción se prepararon de acuerdo con la
norma ISO 294, y tenían una longitud total de 16,6 cm con una
porción restringida que tenía 1,8 cm de largo, 1 cm de ancho y 4 mm
de grosor. Durante cada operación de moldeo, el tornillo sinfín
giratorio dosificó primero el material derretido polimérico antes
de detener y empujar 6,7 cm en una dirección axial con el fin de
forzar al polímero hacia el interior de la cavidad del molde.
Se seleccionaron aleatoriamente diez barras de
tracción moldeadas con cada tornillo sinfín para realizar un ensayo
de tracción de acuerdo con la norma ISO 527-1. Las
propiedades mecánicas de las barras ensayadas fueron las
siguientes:
| Ejemplo 1 | Ejemplo | |
| Comparativo 2 | ||
| Resistencia a la tracción - promedio | 72 MPa | 69 MPa |
| Módulo - promedio | 3,1 GPa | 3,3 GPa |
| Alargamiento a la rotura - mínimo | 40% | 22% |
| Alargamiento a la rotura - máximo | 71% | 62% |
| Alargamiento a la rotura - promedio | 58,0% | 48,7% |
La consistencia del resultado para el
alargamiento a la rotura es un buen indicador de la homogeneidad
del material derretido polimérico que se usó para hacer la barra.
Se puede observar que el alargamiento mínimo fue un 18% mayor para
las barras hechas con el tornillo sinfín de la invención que para
las barras hechas con el tornillo del Ejemplo Comparativo 2. Se
puede observar que la mayor consistencia obtenida con el tornillo
sinfín de la invención no se consiguió a costa de la degradación
del polímero que podría haber reducido la resistencia a la tracción
de las barras de ensayo.
Ejemplo 1 y Ejemplo Comparativo
2
En los Ejemplos 3 y 4 se usó un tornillo sinfín
con un elemento mezclador, como el descrito más arriba en el
Ejemplo 1, en la máquina de inyección del Ejemplo 1 para moldear
por inyección unas composiciones de resina termoplástica de
poliacetal de la misma formulación, pero que fueron introducidas a
la sección de introducción del tornillo sinfín en diferentes
formas. En el Ejemplo 3, los componentes de la composición fueron
precombinados en una operación de composición separada, previa al
moldeo de inyección. En el Ejemplo 4, los componentes de la
composición fueron introducidos directamente al tornillo sinfín de
moldeo de inyección sin una operación de precombinación. En el
Ejemplo Comparativo 5 se usó la máquina de moldeo de inyección usada
en los Ejemplos 3 y 4 para moldear por inyección la resina de
múltiples componentes del Ejemplo 4, pero el tornillo sinfín usado
fue el tornillo sinfín del Ejemplo Comparativo 2, el cual no
incluía un elemento mezclador.
En el Ejemplo 4 y Ejemplo Comparativo 5, la
resina de Poliacetal fue un homopolímero de polioximetileno en la
forma de microbolas con un diámetro medio de 0,25 mm y una
distribución gaussiana de tamaños de partícula en el intervalo de
0,06 mm a 0,50 mm. El estabilizador térmico y agentes lubricantes se
mezclaron en la forma de un polvo fino con las microbolas de
poliacetal en una tolva con una pala mezcladora hasta formar una
mezcla de conjunto compuesta de aproximadamente un 1% de
estabilizadores térmicos y agentes lubricantes añadidos.
En el Ejemplo 3, la resina termoplástico usada
fue la resina de poliacetal Delrin® 500 P, un homopolímero de
polioximetileno precombinado con aproximadamente un 1% en peso de
estabilizadores térmicos y agentes lubricantes añadidos, y que está
disponible procedente de E. I. de Pont de Nemours and Company
(DuPont) de Wilmington, Delaware, E.U.A. Esta resina precombinada
estaba en la forma de perdigones granulares con un diámetro de
aproximadamente 2 a 4 mm, y tenía un punto de fusión de 177ºC (ISO
3146 método C2) y una tasa de fluencia en estado fundido de 15 g/10
minutos por técnicas estándar (ISO 1133) a una temperatura de 190ºC
con un peso de 2,16 kg. La precombinación de los estabilizadores y
agentes lubricantes se realizó de una manera convencional usando un
extrusor de polímero con un único tornillo sinfín. El homopolímero
de polioximetileno, los estabilizadores y los agentes lubricantes
presentes en la composición del Ejemplo 3 eran los mismos que los
usados en el Ejemplo 4 y Ejemplo Comparativo 5, y estos componentes
estaban presentes en las mismas proporciones en la composición
precombinada del Ejemplo 3 que en la usada en el Ejemplo 4 y
Ejemplo Comparativo 5.
En los Ejemplos 3 y 4 y Ejemplo Comparativo 5,
las resinas se moldearon por inyección una máquina de moldeo de
inyección con una fuerza de mordaza de 150 toneladas y equipada con
un cañón de 30 mm de diámetro. El cañón estaba conectado a una
herramienta de molde de dos cavidades con un volumen de
aproximadamente 40 cm^{3}. Se usó un tiempo de ciclo de moldeo de
aproximadamente 1 minuto. Durante cada ciclo se hizo girar el
tornillo sinfín aproximadamente durante 4 segundos a una velocidad
de 190 rpm para mover el material derretido polimérico hacia el
interior de una porción de acumulación del cañón situada entre el
extremo del tornillo sinfín y la cavidad del molde. Entonces se hizo
avanzar el tornillo sinfín sobre una carrera de 6,7 cm con el fin
de inyectar el polímero acumulado al interior de la cavidad del
molde. Se dejo que el polímero cristalizara en la cavidad del molde
durante aproximadamente 55 segundos antes de que se extrajera el
artículo moldeado de la cavidad del molde, y se repitió el ciclo.
La producción de salida total del tornillo sinfín en los Ejemplos 3
y 4 y Ejemplo Comparativo 5 fue de 55 kg/hora.
En los Ejemplos 3 y 4 y Ejemplo Comparativo 5, se
fijó la temperatura del cañón a 200ºC en la zona de introducción,
210ºC en la zona de compresión, y 215ºC en la zona de dosificación y
en la sección de acumulación. La temperatura del molde se fijó a
90ºC. En cada ejemplo, la temperatura del polímero que salía del
tornillo sinfín fue de menos de 4ºC mayor que la temperatura del
cañón, lo que demuestra que el proceso de mezcla causó poco
calentamiento adicional del material derretido polimérico incluso
cuando en los Ejemplos 3 y 4 se usó un elemento mezclador.
En la herramienta de molde de dos cavidades se
moldearon por inyección barras de ensayo de tracción en forma de
hueso de perro a una tasa de aproximadamente una operación de moldeo
por minuto. Las barras de tracción se prepararon de acuerdo con la
norma ISO 294, y tenían una longitud total de 16,6 cm con una
porción restringida que tenía 1,8 cm de largo, 1 cm de ancho y 4 mm
de grosor.
Se seleccionaron aleatoriamente diez barras de
tracción moldeadas con cada tornillo sinfín para efectuar un ensayo
de tracción de acuerdo con la norma ISO 527-1. Las
propiedades mecánicas de las barras ensayadas fueron las
siguientes:
| Ejemplo 3 | Ejemplo 4 | Ejemplo | |
| Comparativo 5 | |||
| Resistencia a la tracción - promedio | 72 MPa | 72 MPa | 69 MPa |
| Módulo - promedio | 3,3 GPa | 3,3 GPa | 3,1 GPa |
| Alargamiento a la rotura - mínimo | 44% | 40% | 18% |
| Alargamiento a la rotura - máximo | 65% | 71% | 53,5% |
| Alargamiento a la rotura - promedio | 51,0% | 58,7% | 43,3% |
La consistencia del resultado para el
alargamiento a la rotura es un buen indicador de la homogeneidad
del material derretido polimérico que se usó para hacer la barra.
Se puede observar que, con el tornillo sinfín de la presente
invención, el alargamiento mínimo para la composición precombinada
(Ejemplo 3) no se redujo significativamente cuando se eliminó el
paso precombinación y los mismos componentes se introdujeron
directamente al tornillo sinfín de moldeo de inyección (Ejemplo 4).
Sin embargo, cuando en el Ejemplo Comparativo 5 se usó un tornillo
sinfín sin un elemento mezclador de acuerdo con la invención, y los
mismos componentes se introdujeron directamente al tornillo sinfín
de moldeo de inyección, alargamiento a rotura mínimo disminuyó en
más de un 20%. Se puede observar que con el tornillo sinfín de la
invención se obtiene el aumento de consistencia incluso cuando los
componentes de una formulación de resina no están combinados por
adelantado.
Una ventaja de moldear por inyección directamente
a partir de componentes individuales es que no se necesita una
operación de combinación por extrusión separada para combinar todos
los componentes de la formulación de la resina. La combinación se
efectúa en la unidad de moldeo de inyección. Este proceso produce
artículos moldeados con unas propiedades mecánicas equivalentes a
las que se pueden producir usando resinas precombinadas.
Antes de esta invención, las propiedades
mecánicas eran más bajas, especialmente el alargamiento a la rotura
promedio, debido a partículas no derretidas o no mezcladas que eran
inyectadas al interior de las barras de tracción.
Sorprendentemente, se puede observar que el alargamiento a la rotura
para el artículo moldeado hecho directamente a partir de una mezcla
en bruto de poliacetal, estabilizadores térmicos y agentes
lubricantes es substancialmente el mismo que el de los artículos
moldeados hechos a partir de perdigones precombinados de la misma
composición.
Claims (15)
1. Un aparato para extruir un material derretido
polimérico que comprende:
un cañón que tiene un espacio hueco en su
interior con una sección transversal sustancialmente circular y un
eje longitudinal, teniendo dicho espacio hueco del cañón una
superficie interior;
un tornillo sinfín montado de manera giratoria en
el espacio hueco del cañón, estando dicho tornillo sinfín montado
coaxialmente con el eje longitudinal del espacio hueco del cañón
estando dicho tornillo sinfín montado para transmitir un material
polimérico a través del espacio hueco del cañón desde un extremo de
entrada del espacio hueco del cañón a un extremo de salida del
espacio hueco del cañón cuando el tornillo sinfín es hecho girar,
teniendo dicho tornillo sinfín un árbol de tornillo sinfín con un
fileteado que se extiende en espiral alrededor del árbol del
tornillo sinfín con el fin de formar una pluralidad de aletas de
empuje, teniendo dicho tornillo sinfín una zona a través de la cual
es transportado el polímero derretido;
teniendo el tornillo sinfín un área de sección
transversal de flujo entre aletas de empuje adyacentes del tornillo
sinfín que es igual a la altura radial a la que el fileteado de
tornillo sinfín de las aletas de empuje se extiende por encima del
árbol del tornillo sinfín multiplicada por la anchura de separación
entre aletas de empuje adyacentes;
teniendo dicho tornillo sinfín una porción dentro
de la zona a través de la cual es transportado el polímero
derretido, cual porción de tornillo sinfín no tiene un fileteado de
tornillo sinfín y en la que el árbol del tornillo sinfín forma un
elemento mezclador que tiene un extremo de entrada, dirigido hacia
el extremo de entrada del espacio hueco del cañón, y un extremo de
salida, dirigido hacia el extremo de salida del espacio hueco del
cañón, comprendiendo dicho elemento mezclador:
una superficie en forma de tambor que se extiende
por encima del árbol del tornillo sinfín y que es coaxial con el
árbol del tornillo sinfín;
teniendo dicha superficie en forma de tambor una
pluralidad de surcos de entrada sobre la superficie en forma de
tambor que se extienden en una dirección en general axial, con
aberturas de surco en el extremo de entrada del elemento mezclador,
terminando dichos surcos de entrada antes de alcanzar el extremo de
salida del elemento mezclador;
teniendo dicha superficie en forma de tambor una
pluralidad de surcos de salida sobre la superficie en forma de
tambor que se extienden en una dirección en general axial, con
aberturas de surco en el extremo de salida del elemento mezclador,
terminando dichos surcos de salida antes de alcanzar el extremo de
entrada del elemento mezclador; alternándose dicha pluralidad de
surcos de salida con dicha pluralidad de surcos de entrada de
manera que los surcos de entrada y salida están contiguos los unos
a los otros sobre una porción de la superficie del elemento
mezclador;
extendiéndose unas mesetas entre los surcos de
entrada y los surcos de salida que separan los surcos de entrada de
los surcos de salida, siendo la longitud de cada meseta
substancialmente igual a la longitud de la porción contigua de los
surcos de entrada y salida adyacentes;
caracterizado porque cada una de las
mesetas tiene una superficie superior 36 que se extiende a lo largo
de la meseta y que tiene un grosor entre los surcos de entrada y
salida de menos de 2 mm, extendiéndose cada una de dichas
superficies superiores de las mesetas hacia la superficie interior
del cañón hueco 19, pero sin tocarla, siendo la holgura entre cada
una de dichas superficies superiores de dichas mesetas y la
superficie interior del espacio hueco del cañón es preferiblemente
de menos de 0,5 mm;
donde hay un área de sección transversal de
esfuerzo cortante de meseta correspondiente a cada meseta que es
igual a la longitud de la meseta multiplicada por la holgura entre
la superficie interior de la meseta y la superficie interior del
espacio hueco del cañón, y la suma de las áreas de sección
transversal de esfuerzo cortante de meseta de todas las mesetas del
elemento mezclador es mayor o igual al 95% del área de sección
transversal de flujo entre las aletas de empuje adyacentes del
tornillo sinfín a través de la cual pasa el polímero inmediatamente
antes de entrar en el elemento mezclador.
2. El aparato de la reivindicación 1, en el que
la suma de las áreas de sección transversal de esfuerzo cortante de
meseta de todas las mesetas del elemento mezclador es mayor o igual
que el 100% del área de sección transversal de flujo entre las
aletas de empuje adyacentes del tornillo sinfín a través de la cual
pasa el polímero inmediatamente antes de entrar en el elemento
mezclador.
3. El aparato de la reivindicación 1, en el que
la suma de las áreas de sección transversal de esfuerzo cortante de
meseta de todas las mesetas del elemento mezclador está entre el
100% y el 120% del área de sección transversal de flujo entre las
aletas de empuje adyacentes del tornillo sinfín a través de la cual
pasa el polímero inmediatamente antes de entrar en el elemento
mezclador.
4. El aparato de la reivindicación 2, en el que
la suma de las áreas de sección transversal de esfuerzo cortante de
meseta de todas las mesetas del elemento mezclador es mayor o igual
que el 102% del área de sección transversal de flujo entre las
aletas de empuje adyacentes del tornillo sinfín a través de la cual
pasa el polímero inmediatamente antes de entrar en el elemento
mezclador.
5. El aparato de la reivindicación 1, en el que
cada superficie superior de las mesetas que se extienden a lo largo
de las mesetas tiene un grosor entre los surcos de entrada y salida
de entre 0,2 mm y 1,4 mm, y dicha holgura entre la superficie
superior de dichas mesetas y la superficie interior del espacio
hueco del cañón está dentro del intervalo de 0,1 mm a 0,3 mm.
6. El aparato de la reivindicación 1, en el que
la nona del tornillo sinfín a través de la cual es transportado el
polímero derretido incluye una zona de dosificación próxima al
extremo de salida del cañón y el elemento mezclador está situado
dentro de dicha zona de dosificación.
7. El aparato de la reivindicación 6, en el que
la zona de dosificación tiene unos extremos opuestos, y hay un
punto medio entre los extremos opuestos de la zona de dosificación,
y el elemento mezclador está situado entre dicho punto medio y el
extremo de la zona de dosificación dirigido hacia el extremo de
entrada del espacio hueco del cañón.
8. El aparato de la reivindicación 7, en el que
el elemento mezclador está próximo al extremo de la zona de
dosificación dirigido hacia el extremo de entrada del espacio hueco
del cañón.
9. El aparato de la reivindicación 6, en el que
el tornillo sinfín tiene una zona de introducción y una zona de
compresión, y en el que la relación del volumen de una paleta de
empuje en la zona de introducción respecto al volumen de una paleta
de empuje en la zona de dosificación es menor que 1,8.
10. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el elemento mezclador incluye al menos tres surcos de entrada y al
menos tres surcos de salida.
11. El aparato de la reivindicación 10, en el que
el elemento mezclador incluye al menos cinco surcos de entrada y al
menos cinco surcos de salida.
12. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el espacio hueco del cañón tiene una forma cilíndrica.
13. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el aparato es parte de una extrusora de polímero.
14. El aparato de la reivindicación 1, en el que
el aparato es la extrusora de polímero de una máquina de moldeo de
inyección.
15. El aparato de la reivindicación 6, en el que
la zona de dosificación no tiene más de una paleta de empuje y en
el que el elemento mezclador está situado en el extremo de salida
de la zona de dosificación.
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